【会员论文】ACS Nano丨东北师大刘益春院士、马剑钢教授：通过缺陷钝化提升Ga₂O₃薄膜晶体管性能实现日盲紫外线传感器的储备池计算

        作为第四代超宽禁带半导体，其禁带宽度与日盲紫外光谱完美匹配，具有天然的日盲特性，无需滤光片即可排除环境光干扰。相比单晶，非晶/多晶 Ga₂O₃ 薄膜具有成本低、制备工艺简单、易于大面积集成在玻璃或柔性衬底上的优点，是下一代透明显示和逻辑电路的有力竞争者。低成本制备的 Ga₂O₃ 薄膜通常含有高浓度的氧空位（V_O）、羟基（-OH）以及表面悬挂键。这些缺陷会作为捕获中心或散射中心，导致器件迁移率极低、开启电压漂移以及持续光电导效应严重，限制了其在高速、低功耗电子设备中的应用。传统系统中，传感器采集数据，处理器处理数据。随着视觉数据量激增，数据在传感、存储和计算单元之间的频繁传输产生了巨大的功耗和延迟。直接在传感器内部处理信息。Ga₂O₃ 器件的 PPC 效应本是缺陷，但在类脑计算中可被转化为突触权重存储功能。这是一种适合处理时序信号的神经网络模型。利用 Ga₂O₃ 晶体管对紫外脉冲的非线性响应，可以构建一个物理储备池，将复杂的时变信号映射到高维空间，从而实现极低能耗的图像或时序识别。

        Ga₂O₃ 薄膜晶体管（TFT）具有耐高温、耐高压特性，适用于要求严苛的显示与传感应用。然而，现有 Ga₂O₃ TFT 的性能受缺陷导致的自由载流子传输障碍所限制。本研究提出一种策略：先进行氮退火处理，再通过原子层沉积技术封装 Al₂O₃，使 Ga₂O₃ TFT 的迁移率和日盲紫外响应度分别提升 27 倍以上和 94 倍以上。通过高分辨率透射电子显微镜表征与计算机辅助设计模拟的综合结果表明，这些性能提升源于 Ga₂O₃ 界面、体相及表面深能级缺陷的有效钝化。此外，Ga₂O₃ TFT 中光导效应与栅控效应的竞争与协同作用，实现了可编程栅电压光响应特性，从而同时调控响应度与响应时间。基于此原理，演示了基于 Ga₂O₃ TFT 的日盲紫外线传感器内置的蓄积式计算系统，该系统在 40 % 噪声环境下仍能实现超过 91.8 % 的指纹图像识别准确率。本研究将有效的缺陷钝化策略与明确的调制机制相结合，并进一步展示了其在类脑计算中的应用前景。本文提出的方法具有广泛的扩展潜力，可应用于其他宽带隙半导体系统。

        •深入探讨了 NA 和 AE 协同作用对 Ga₂O₃ 通道内载流子传输机制的影响，成功抑制了深度陷阱态。

        •将传统上被视为性能障碍的缺陷转化为可控的突触权重调节器，实现了高性能电子开关与类脑计算功能的集成。

        •在 RC 仿真任务中，该系统对时序紫外数字图案的识别准确率达到了 98 % 左右。

        研究团队开发了一种结合高温氮退火与 Al₂O₃ 封顶层的策略，以提升 Ga₂O₃ 薄膜晶体管的电学与光探测性能。该处理可钝化 Ga₂O₃ 薄膜晶体管中的深能级缺陷和表面态，从而改善其迁移率、开关电流比及稳定性。优化后的 Ga₂O₃ 薄膜晶体管在日盲紫外照射下展现出高达 10⁵ 的光暗电流比、7.6 × 10¹⁴ Jones 的探测率，以及 0.3 秒的快速衰减时间。电流密度模拟与高分辨率透射电子显微镜表征证实：氮退火缩短了光生载流子的迁移时间，而 Al₂O₃ 封顶层有效抑制了表面载流子耗尽，从而增强了 Ga₂O₃ 薄膜晶体管的光探测能力。阐明了 Ga₂O₃ 薄膜晶体管内部光传导与栅控机制的协同与竞争关系，使这些可编程栅极电压器件能够作为光电突触应用于 RC 及高精度指纹图像识别领域。关于缺陷钝化及其对 Ga₂O₃ TFT光电特性影响的认识，不仅推动了类脑视觉系统的发展，也为其他金属氧化物半导体技术进步提供了宝贵指导。

        本研究得到了国家重点研发计划（2021YFA0716404，2024YFA1208800）、国家自然科学基金（U23A20568，12474164，52372137，62571109）、111 项目（B25030）、吉林省资助（20240101129JC）以及青年教师科研创新能力支持项目（ZYGXQNJSKYCXNLZCXM-I10）的支持。

图1. 用于类脑视觉系统的 Ga₂O₃ 薄膜晶体管。(a) 生物视觉系统示意图与基于 Ga₂O₃ 薄膜晶体管阵列设计的神经形态视觉系统示意图。(b) 沉积于 SiO₂/Si 衬底上的 Ga₂O₃/Al₂O₃ 异质结薄膜的HAADF-STEM图像及对应元素（Al、Ga、O、Si）的能谱分布图。(c) Ga₂O₃/Al₂O₃ 异质结的高分辨率透射电子显微镜图像，显示晶体 β-Ga₂O₃ 表面覆盖的非晶态 Al₂O₃ 层。对应的快速傅里叶变换衍射图（Z轴=[101]）显示：非晶态 Al₂O₃ 产生弥散晕环，β-Ga₂O₃ 的 (20−2)、(11−1) 及 (1−11) 晶面则呈现离散衍射斑点。

图2. Ga₂O₃ 薄膜晶体管的电学性能增强。（a）Ga₂O₃ 薄膜晶体管在不同气氛下退火前后的转移特性曲线。(b) 不同气氛退火后 Ga₂O₃ 薄膜的 O 2p 能级谱；(c) Ga 2p3/2 能级谱。HAADFSTEM 图像显示：(d) 原始生长状态与 (e) 退火处理后的 Ga₂O₃ 薄膜，并附低/高倍放大区域的 FFT 衍射图谱。

图3. 氧化铝涂层氧化镓薄膜晶体管的光响应特性及其作用机制。(a) 不同栅极电压下测得的氧化铝涂层氧化镓薄膜晶体管输出特性。(b) 不同漏极电压下获得的氧化铝涂层氧化镓薄膜晶体管转移特性。(c) 在日盲紫外线照射下，含/不含 Al₂O₃ 层的 Ga₂O₃ 薄膜晶体管沟道区与背沟道区电流密度分布（TCAD 模拟）。(d) 含 Al₂O₃ 钝化层的 Ga₂O₃ 薄膜晶体管能带结构示意图。(e) 跨导 (gm) 与光暗电流比 (PDCR) 随栅极电压变化曲线。(f) 响应度与探测度随栅极电压变化曲线。(g) 不同栅极电压下光电流对光强度的响应曲线。(h) 254 nm 紫外光照射下（光功率密度 24.68 μW/cm²，持续 30 秒）Ga₂O₃ 薄膜晶体管的光响应 I-t 曲线（含/不含 Al₂O₃ 钝化层）。

图4. 基于 Ga₂O₃ 薄膜晶体管（TFT）实现的 4 位输入突触可塑性与非线性映射。(a) 生物突触与 Ga₂O₃ 薄膜晶体管示意图。(b) 单次紫外脉冲（140 mW/cm²，0.5 s）与一对尖峰（Δt = 0.5 s）分别诱发的突触 EPSC 与 PPF 函数。(c) 不同时间点紫外脉冲作用下晶体管的 EPSC 响应。光脉冲诱导的响应电流随(d)间隔时间（0.5 至 5.5 秒）、(e) 脉冲数量（5 至 40 次）及 (f) 光强（45 至 140 mW/cm²）的变化曲线。(g) 光输入（强度 140 mW/cm²）下 1010、0111 和 1111 通道电流的响应特性。(h) 在 1 V V_DS 条件下，4 位存储池状态读取的可区分输出。

图5. 基于 Ga₂O₃ 薄膜晶体管的 RC 系统指纹识别演示。(a) 原始指纹图案经缩放与二值化预处理后，转化为脉冲序列输入晶体管型存储池框架。通过读取存储池状态感知网络获得识别结果。(b) 16 种脉冲组合刺激下存储池状态的初始与最终电流值。(c) 50 个训练 epoch 期间准确率演变曲线。(d) 识别结果混淆矩阵及各指纹图案出现概率。(e) 10 % 与 50 % 噪声水平下的识别准确率。

DOI：

doi.org/10.1021/acsnano.5c18136